JP4130531B2 - 透明な基板上の構造の測定装置及び測定方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、透明な基板上の構造（ないしパターン構造）の座標を測定するための測定装置であって、投下光−照明装置、結像装置及び結像される構造のための検出装置、及び該結像装置の光軸に対し垂直かつ相対的に、干渉計で測定可能に摺動可能な、前記基板を受容するための測定テーブルを有する形式の装置に関する。
本発明は、更に、透明な基板上の構造（ないしパターン構造）の座標の測定方法であって、照明、検出装置への構造の結像、及び結像方向に垂直な平面内での、干渉計で測定可能な基板の摺動を行う方法に関する。
【０００２】
【技術的背景】
このような技術の測定装置は、例えば、講演草稿：マスク製造のためのパターン配置計測学（Pattern Placement Metrology for Mask Making, Dr.Carola Blaesing, 1998年3月31日ジュネーヴにおいての会議、Semicon, Education Programの際に刊行）に詳細に記載されている。その測定装置は、測定精度をナノメートル領域で実現できるように人工気候室（ないし空調室）に設置されている。測定されるのは、マスク及びウェハ上の構造の座標である。その測定システムは、振動を減衰するように設置された花崗岩製載置台上に載置されている。マスク及びウェハは、自動操作システムで測定テーブル上に運ばれる。
【０００３】
測定テーブルは、空気ベアリングによって花崗岩製載置台表面を滑動する。測定テーブルの２つの相互に直角に配置した側面には、平面鏡が取り付けられている。レーザ−干渉計システムが、測定テーブルの位置を測定する。
【０００４】
測定すべき構造の照明及び結像は、アポクロマート補正された高解像度顕微鏡光学系を介して近紫外スペクトル領域の投下光の中で行われる。ＣＣＤカメラは、検出器の働きをする。測定窓の内部範囲に存在する検出器アレイのピクセル（画素）から、測定信号が得られる。像処理を行うことにより、測定信号から、測定された構造の強度プロフィールを導出し、強度プロフィールから、例えば構造の縁の位置を求める。
【０００５】
上記の測定装置は、半導体製造用のマスク及びウェハ上の構造（パターン）の縁の位置を測定するために使用されるのが好ましい。この構造は、マスク面上に形成されている被膜によって形成される。その表面は、様々異なるように光が反射する。これら被膜の縁は、製造プロセスに基づいて、様々な勾配の傾斜が付けられ、その清浄度も様々に異なっている。テレビオートフォーカスシステムでは、縁の結像を最適化するために、最も鋭いコントラストが生じている部分を探す。測定されるテーブル位置と関連する結像システムの光軸に対する、この部分（最鋭コントラスト生成部分）で測定される縁の位置は、機械装置−座標内での構造要素の位置座標を明らかにする。構造要素の位置座標は、予めマスクの位置の整合(アライメント)により、マスク−座標システムへ（の座標に）換算することができ、構造要素の設定データ（ないし、目標値）と比較することができる。例えば、線状の構造要素の場合には、２つの縁位置もまた測定することができる。その時、それらに関する中心線は、位置座標として選択することができる。構造が十字形の場合は、その中心線の交点は、位置（Position）とすることができる。
【０００６】
測定される縁の位置は、一方では縁（ないし稜）自体の物理的品質に、他方では使用される光学的測定方法並びに結像システムの品質に依存する。その関係は、論文「微細構造における縁測定」（Kantenvermessung an Mikrostrukturen, W.Mirande, VDI Berichte No.1102(1993), 137頁以下）に記載されている。構造の位置が前記２つの縁に関する中心線により決定されると、測定される縁位置への影響は、一般に、測定される構造の位置に対し影響を及ぼさない。これに対し、構造の幅の測定に関する測定結果の評価は、異なる測定装置ではその結果は様々に異なりうる。
【０００７】
半導体製造においては、ステッパ（ステップ式投影露光装置）内のマスクは、透過光で照明され、ウェハ上に投影される。それゆえ、構造要素が光を暗くする幅(マスク幅)を正確に確定できることに対する関心もある。このために、特別な測定用顕微鏡が開発され、その顕微鏡では、マスクは透過光で照明され、専ら不透明な（ないし、非透過性のopak）構造の像の幅が測定される。構造要素の位置座標を決定するためのものとしては、これらの測定装置は考慮されていない。これらの考えは、不透明な構造要素の代わりに、マスク表面の透明な（ないし、透過性の）構造要素を測定すべき場合にも同様に当てはまる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
マスク製造における品質管理に対する要求が高くなるにつれ、マスク構造の位置の観点からと同様にマスク構造の実効投影領域の観点からも、マスク構造の設計パラメータの検査が必要となる。その際、（製造過程）所要時間を一層より短くすることが要求される。それに加えて、必要不可欠な洗浄工程に対する要求のため、測定装置にマスクをセットする操作過程においてますます慎重さが必要とされる。マスクの大きさが益々大きくなり、構造の高密度化（ないし、微細化）が益々進むと、マスクの価値（ないし、重要性）も各処理段階に応じて高くなり、そのためマスクの破壊に対する操作の安全性も極めて重要になる。
【０００９】
それゆえ、本発明の課題は、正確な位置決定が可能であると共に、幾何学的縁プロフィールの情報なしに構造の幅に関するより信頼性の高い（情報）提示が可能である測定装置を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明の第１の視点により、透明な基板上の構造の座標を測定するための測定装置であって、投下光−照明装置、結像装置及び結像される構造のための検出装置、及び該結像装置の光軸に対し垂直かつ相対的に、干渉計で測定可能に摺動可能な、前記基板を受容するための測定テーブルを有する形式の装置が提供される。この測定装置において、前記測定テーブルは、前記基板の受容縁を有する開口フレームとして構成されており、及び該測定テーブルの下方には、透過光−照明装置が配置されており、該透過光−照明装置の光軸は、前記投下光−照明装置の光軸と同一直線上にある（合致している）ことを特徴とする（形態１・基本構成１）。
更に、上記の課題を解決するために、本発明の第２の視点により、透明な基板上の構造の座標の測定方法であって、照明、検出装置への構造の結像、及び結像方向に垂直な平面内での、干渉計で測定可能な基板の摺動を行う方法が提供される。この測定方法において、前記基板は、該基板の受容縁を有する開口フレームとして構成された測定テーブルに配されて摺動され、該測定テーブルの下方には、透過光−照明装置が配置されていること、及び該基板は、夫々の光軸が同一直線上にある投下光−照明装置による投下光又は透過光−照明装置による透過光で交互に照明されることを特徴とする（形態４・基本構成２）。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を示す。なお、形態２、３、５及び６は従属請求項の対象でもある。
（形態１） 上記基本構成１参照。
（形態２） 上記形態１の測定装置において、前記検出装置は、ＣＣＤカメラであることが好ましい。
（形態３） 上記形態１の測定装置において、前記投下光−照明装置及び前記透過光−照明装置は、交互に点灯可能であることが好ましい。
（形態４） 上記基本構成２参照。
（形態５） 上記形態４の測定方法において、前記構造の座標は、投下光による照明の場合にも、透過光による照明の場合にも夫々決定することが好ましい。
（形態６） 上記形態５の測定方法において、前記構造の縁の座標は、投下光による照明及び／又は透過光による照明で構造の幅の測定のために評価されることが好ましい。
【００１２】
それ自体既知の測定装置を本発明に応じた構成とすることによって、同じ測定装置の一つの操作過程だけで、投下光−照明及び透過光−照明により位置座標も構造（パターン構造）の幅も測定できる。第二の測定装置に搬入するための装備時間がないこと（省略）及び測定時間の省略も品質管理を加速する。付加的な測定装置の削減は、管理のコストを引き下げ、管理−測定装置のプロセスラインへの組込みを簡略化し及び取扱いの際に基板を破損する危険を低下する。その他の点では同じ評価条件下において異なった照明での測定値を直接比較することにより、マスク製造プロセスについての更なる（より精密な）分析ができる。
【００１３】
フレームとして構成された測定テーブルを用いることによっても、位置座標を測定するための測定装置の測定精度を維持できることが驚くべきことに明らかとなった。それによって、構造の幅は、透過光−照明装置によって位置座標の精度と同じ精度で測定することができ、かつ、構造の幅は、マスク上の正確に定められた位置に関連させる（即ち、特定の正確な位置でのパターン構造の幅を特定する）ことができる。投下光及び透過光での縁位置の測定値を比較することにより、縁の構成に関する追加的な情報が得られる。このようにして、とりわけ非対称的な縁（ないし稜）プロフィールを知ることができ、それは、構造要素の位置−座標を修正するために使用することができる。
【００１４】
【実施例】
本発明の測定装置の実施例を図面を用いて説明する。なお、特許請求範囲に付した図面参照符号は、専ら発明の理解を助けるためのものに過ぎず、本発明を図示の態様に限定することは意図していない。
【００１５】
図１の実施例には、脚部２、３に振動を減衰するように設置されている花崗岩製載置台１が記載されている。該花崗岩製載置台１上では、フレームとして構成された測定テーブル４は、空気ベアリング５、６によって矢印で概略的に示された二方向（ｘ−ｙ平面）で滑動できる。測定テーブル４のフレームは、有利には、小さい熱膨張係数を持つガラスセラミックス製である。その駆動装置は記載していない。測定テーブル４の位置は、レーザ−干渉計システム７で、ｘ，ｙ方向で測定される。
【００１６】
測定テーブル４のフレームには、マスク８がセットされて（ないし、はめ込まれて）いる。マスク８は、例えば石英ガラス製である。マスク表面には、構造（パターン）９が形成されている。測定テーブル４は、フレームとして構成されているので、マスク８は、下方からも透過照明することができる。
【００１７】
マスク８の上方には、光学的等級の高い結像システム１０があり、該結像システムは、フォーカシングのためにその光軸１１に沿ってｚ方向で位置を調節することができる。分割ミラー（ビームスプリッタ）１２によって、一方では、光源１３の光は光学的光線経路に導かれ、他方では、結像光線は検出装置１４の方へ偏向される。検出装置１４は、例えば、高解像度ピクセルアレイ（画素配列）を持つＣＣＤカメラである。光源１３は、近紫外スペクトル領域の光を放射する。
【００１８】
花崗岩製載置台１には、高さ（載置台の上部での位置）を調節できる集光装置１５及び光源１６からなる他の照明装置が組み込まれている。光源１６として、光導体（Lichtleiter）の出口面を用いることも可能である。集光装置（コンデンサ）１５の光軸は、結像システム１０の光軸１１と合致している（同一直線上にある）。光源１６を有する集光装置１５の高さを調節することにより、構造９上に向けることができる照明光線をマスク８の様々な光学厚さ（ないし、光学距離）に応じて最適化することができる。集光装置の頭部は、とりわけ測定テーブルフレームの開放部分内に達することができる。しかし、該頭部は、テーブルがマスク面全体に亘って移動する場合に破損を防ぐために、花崗岩製載置台の表面下に引っ込めることもできる。光源１３及び１６は、相互に独立に点灯することができる。
【００１９】
図２には、理想的な構造要素１７の断面が拡大された長方形（矩形）として描かれている。構造の高さは、凡そ１００〜２００ｎｍである。そのような構造要素１７を投下光１８で照明し、カメラ１４のＣＣＤ受光面のピクセル（画素）で結像すると、最適なフォーカシングを行った場合でも縁部分の像は、回折によって不鮮明になる（シャープでなくなる）。この場合、各像点の回折小円板は、ピクセル要素よりも大きい。縁を横切る方向に導出したＣＣＤ要素のピクセル強度相対強度プロフィール１９は、（図２の）上方に向って破線で模式的に描かれた軌跡を持つ（曲線を成す）。理論的考察からすれば、５０％の強度で、構造要素１７の縁２０、２１の位置は、最も良く再現される。このようにして決定される縁位置２０、２１の中心線２２は、構造要素１７の位置座標を定義（決定）する。
【００２０】
（上記構造要素１７と）同じ構造要素１７は、透過光２３で照明すると、結像光学系１０にとっては暗い影２４として現れる。ここでも影の境界領域はより高い又は低い鮮明度をもってＣＣＤ要素に結像する。同様にして、（図２の）下方に向って示されている相対強度プロフィール２５が現れる。縁の位置を再び５０％程度の強度プロフィールで決定すると、この理想的な場合には、投下光１８で照明した場合と同じ縁位置２０’、２１’、更に同じ位置座標２２’が現れる。両縁間に矢印で概略的に示された構造の幅（の値）として、同様に、２組の縁位置２０、２１及び２０’、２１’のそれぞれの差から同じ値が得られる。
【００２１】
図３には、縁プロフィールが非対称的な台形状に描かれている。これは、縁が両側で急斜面になっている場合及びぞんざいな（すっきりしない）エッチング処理のためその裾の部分においてのみ片側に広がっている場合の例にも当てはまるであろう。テレビオートフォーカスでは、必ず構造要素の表面の結像が最もコントラストに富むように結像が調節される。この結像（方法）によって、縁プロフィールの非対称的部分の実際の軌跡は殆んど影響しない。それゆえ、投下光１８で、（図２と比較すると）図２の場合と類似した強度プロフィール２７が生じ、この強度プロフィールから構造要素２６の縁位置２８、２９及び位置座標３０を導くことができる。
【００２２】
しかし、透過光２３では、影の像３１（形成）にとって縁プロフィール２６の裾部分及びＣＣＤエレメントに生じる像のみが重要である。それゆえ、縁位置２９’が右方に移動した本質的に対称的な強度プロフィール３２が再び生じる。そのため、まず両縁位置の差からより大きい構造の幅が生じ、かつ更に構造要素２６のための異なる位置座標３０’が生じる。それゆえ、位置座標３０、３０’の相違は、縁プロフィール２６の非対称性を示唆している。そのため、マスク製造者は、その製造過程をより良く分析することができる。縁プロフィールが対称的な台形状の場合は、投下光測定及び透過光測定から得られる位置座標は異ならないことは明らかである。ここでは、構造の幅に関する（情報）提示のみが変化するが、同時に製造プロセスに関する（情報）提示も許容する（可能とする）。縁プロフィール及び強度プロフィールに使用された線図は、模式的なものであり、とりわけ構造の幅及び構造の間隔の場合、光の波長（の長さの）領域においてはより複雑でありうる。
【００２３】
投下光及び透過光における測定データの上記の比較は、基板を同一の位置に合わせて、かつ、同じ結像方法及び同じ評価方法で行うという理由によってのみ許容できるものである。透過光で測定される構造の幅をマスク座標システム内におけるその構造のための絶対的な位置の表示に対応して割り当てることがはじめて可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の測定装置の正面図
【図２】 投下光及び透過光での評価による構造プロフィール及び強度プロフィール
【図３】 他の（場合の）構造プロフィール及び強度プロフィール

Claims (6)

1. 透明な基板（８）上の構造（９）の座標を測定するための測定装置であって、
   投下光−照明装置（１０、１３）、結像装置（１０）及び結像される構造（９）のための検出装置（１４）、及び該結像装置（１０）の光軸（１１）に対し垂直かつ相対的に、干渉計で測定可能に摺動可能な、前記基板（８）を受容するための測定テーブル（４）を有する形式の装置において、
   前記測定テーブル（４）は、前記基板（８）の受容縁を有する開口フレームとして構成されており、及び該測定テーブル（４）の下方には、透過光−照明装置（１５、１６）が配置されており、該透過光−照明装置（１５、１６）の光軸は、前記投下光−照明装置（１０、１３）の光軸と同一直線上にある、
   ことを特徴とする測定装置。
2. 前記検出装置は、ＣＣＤカメラである、
   ことを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
3. 前記投下光−照明装置及び前記透過光−照明装置は、交互に点灯可能である、
   ことを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
4. 透明な基板上の構造の座標の測定方法であって、
   照明、検出装置への構造の結像、及び結像方向に垂直な平面内での、干渉計で測定可能な基板の摺動を行う方法において、
   前記基板（８）は、該基板（８）の受容縁を有する開口フレームとして構成された測定テーブル（４）に配されて摺動され、該測定テーブル（４）の下方には、透過光−照明装置（１５、１６）が配置されていること、及び
   該基板は、夫々の光軸が同一直線上にある投下光−照明装置による投下光又は透過光−照明装置による透過光で交互に照明されること、
   を特徴とする測定方法。
5. 前記構造の座標は、投下光による照明の場合にも、透過光による照明の場合にも夫々決定する、
   ことを特徴とする請求項４に記載の測定方法。
6. 前記構造の縁の座標は、投下光による照明及び／又は透過光による照明で構造の幅の測定のために評価される、
   ことを特徴とする請求項５に記載の測定方法。

Images